答辩博士：钱煜
指导老师：鲁植雄教授
论文题目：起步与换段工况下拖拉机无级变速箱湿式离合器控制研究
答辩委员会：
主席：
薛金林教授/博导 南京农业大学
委员：
李仲兴，教授/博导，江苏大学
魏民祥，教授/博导，南京航空航天大学
姬长英，教授/博导，南京农业大学
何瑞银，教授/博导，南京农业大学
秘书：
朱烨均南京农业大学
答辩时间：2024年12月6日14:30
答辩地点：滨江校区工学楼B441
论文简介：
无级变速箱作为一种液压与机械复合的新型传动装置，可以在较大范围内实现无级调速、在不同工况下选择合适的传动比使得发动机始终工作在最佳效率区间，具有能源损失小、传动效率高的优点。目前对于因驾驶员意图改变和换段环境工况改变带来的起步与换段冲击的研究相比较少，会导致拖拉机车速不稳定甚至动力中断，降低驾驶体验、影响车辆安全性。
因此，本文以自主研发的三段式无级变速传动方案为研究对象，以提高拖拉机起步/换段品质为研究目标，通过对湿式离合器机械结构优化设计，搭建试验台架，为后续换段研究提供试验基础。分析离合器接合过程、建立液压系统动力学模型，提出一种基于Backstepping算法设计湿式离合器油压跟踪控制器。基于PSO-ELM建立驾驶员意图辨识模型，制定了考虑驾驶员意图的拖拉机起步控制策略。研究发动机转速和离合器充油压力对换段品质的影响。结合发动机燃油经济性，提出对换段时对离合器换段时真实环境工况的研究求解，通过AHP和熵权法联合建立离合器换段品质综合评价指标，获取HM1切HM2段时换段离合器控制策略。论文主要研究内容与结果如下：
（1）对湿式离合器油压跟踪控制器的设计进行研究。建立湿式离合器接合过程动力学模型，基于Backstepping算法建立油压跟踪控制器，在AMEsim与Simulink联合仿真平台中验证了离合器液压执行部件输出油压的可控性。本文提出的Backstepping油压控制器的超调量较PID控制器相比，超调量减小了78%，充油压力波动较小，有效降低滑摩功的值，减小离合器的磨损程度。
（2）对湿式离合器充油特性进行研究。根据对离合器充油特性的分析，提出将离合器充油过程分为4个阶段，用5个因素来描述，分别为：阶段1的充油速率、阶段1持续时间占总充油时间的比例、阶段2的充油速率、阶段2持续时间占总充油时间的比例、阶段3持续时间占总充油时间的比例。采用数学建模的方法建立5个因素与离合器接合品质评价指标间的数学模型，配合客观权重确定法，确定了在接合品质综合评价指标中，动载荷的权重为0.1516，滑摩功的权重为0.3146，冲击度的权重为0.2997，接合时间的权重为0.2341，基于此提出了获取单个离合器最优充油特性的方法。
（3）对考虑驾驶员意图的拖拉机起步控制策略进行研究。提出采用PSO-ELM算法建立驾驶员意图辨识模型，ELM单隐含层前馈神经网络使得该辨识模型具有训练时间短、计算复杂度小的优点；PSO算法优化ELM辨识模型的随机输入权重，使得优化后的模型具有辨识准确率提高、收敛速度提高的优点。本文提出的PSO-ELM驾驶员辨识模型适配于拖拉机起步过程。
（4）对无级变速箱换段品质影响因素展开研究。本文提出一种新的综合换段品质评价模型的建立方法。采用响应面法与Stepwise回归分析法2种数据处理方法建立发动机转速、充油压力与速度降、动载荷与滑摩功之间的数学模型。研究结果表明，速度降与滑摩功采用Stepwise回归分析法建立模型精度较高，模型预测精度分别为89.9%、88.6%，动载荷采用响应面法建立模型精度较高，模型预测精度分别为91.8%。本文将响应面法应用于换段试验方案设计。通过试验结果发现：响应面法换段试验方案可以明显减少试验次数，在后续数据处理时，响应面法可建立影响因素与换段评价指标的数学模型，并在整个取值范围内找到使得换段品质最佳的因素组合。响应面法为换段试验研究提供一种新思路。
（5）对于无级变速箱最佳换段控制策略的研究，本文提出变速箱速比控制策略、发动机特性与驾驶员意图将联合决定湿式离合器的真实的换段环境工况，提出了“速比控制-真实换段环境工况-换段控制”的最佳换段控制策略制定方法。基于层次分析法和熵权法建立变速箱换段品质综合评价模型，获取不同环境工况下湿式离合器最优控制策略，形成了HM1切换HM2段的离合器控制策略。
主要创新点如下：
【创新点1】提出了一种基于PSO-ELM算法辨识驾驶员意图与模糊算法相结合的拖拉机起步控制策略。提出采用PSO-ELM算法建立驾驶员意图辨识模型，PSO算法优化ELM辨识模型的随机输入权重，模型识别准确率为91.67%，相较于ELM提高了41.67%，基于台架实测充油曲线建立起步离合器控制策略知识库，再采用模糊算法建立驾驶员意图与离合器接合品质权重之间的映射，完成起步控制策略半离线制定。
【创新点2】提出基于Backstepping算法建立了湿式离合器油压跟踪控制器。对单个离合器接合过程建立动力学模型并基于Backstepping算法建立了离合器油压控制器，在AMESim与Simulink联合仿真平台中验证了离合器液压执行部件输出油压的可控性。本文提出的Backstepping油压控制器的超调量较PID控制器相比，超调量减小了78%，充油压力波动较小，有效降低滑摩功的值，减小离合器的磨损程度。
【创新点3】
提出了“速比控制-真实换段环境工况-换段控制”的最佳换段控制策略制定方法。对于无级变速变速箱换段平顺性的研究，本文提出变速箱速比控制策略、发动机特性与驾驶员意图将联合决定湿式离合器的真实的换段环境工况，提出了“速比控制-真实换段环境工况-换段控制”的最佳换段控制策略制定方法。基于层次分析法和熵权法建立变速箱换段品质综合评价模型，获取不同环境工况下湿式离合器最优控制策略，形成了HM1切换HM2段的离合器控制策略。
